КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Опыт Милликена
Мысль о дискретности электрического заряда впервые была высказана Б. Франклином в 1752 г. Экспериментально дискретность зарядов была обоснована законами электролиза, открытыми М. Фарадеем в 1834 г. Числовое значение элементарного заряда (наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа Авогадро. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было выполнено Р. Милликеном в классических опытах, выполненных в 1908 – 1916 гг. Эти опыты дали также неопровержимое доказательство атомизма электричества.
Согласно основным представлениям электронной теории, заряд какого-либо тела возникает в результате изменения содержащегося в нём количества электронов (или положительных ионов, величина заряда которых кратна заряду электрона). Поэтому заряд любого тела должен изменяться скачкообразно и такими порциями, которые содержат целое число зарядов электрона.
Все физики интересовались величиной электрического заряда электрона, и, тем не менее, до сих пор не удалось ее измерить. Много попыток провести это решающее измерение уже предпринял Дж. Дж. Томсон, но прошло десять лет работы, и ассистент Томсона Г. Вильсон сообщил, что после одиннадцати различных измерений они получили одиннадцать различных результатов.
Прежде чем начать исследования по своему собственному методу, Милликен ставил опыты по методу, применявшемуся в Кембриджском университете. Теоретическая часть эксперимента заключалась в следующем: масса тела определялась путем измерения давления, производимого телом под воздействием силы тяжести на чашу весов. Если сообщить бесконечно малой частице вещества электрический заряд и если приложить направленную вверх электрическую силу, равную силе тяжести, направленной вниз, то эта частица будет находиться в состоянии равновесия, и физик может рассчитать величину электрического заряда. Если в данном случае частице будет сообщен электрический заряд одного электрона, можно будет высчитать величину этого заряда.
Кембриджская теория была вполне логичной, но физики никак не могли создать прибор, при помощи которого можно было бы заниматься исследованиями отдельных частиц веществ. Им приходилось довольствоваться наблюдением за поведением облака из водяных капель, заряженных электричеством. В камере, воздух из которой был частично удален, создавалось облако пара. К верхней части камеры подводился ток. Через определенное время капельки тумана в облаке успокаивались. Затем сквозь туман пропускали икс – лучи, и водяные капли получали электрический заряд.
При этом исследователи полагали, что электрическая сила, направленная вверх, к находящейся под высоким напряжением крышке камеры, должна якобы удерживать капли от падения. Однако на деле не выполнялось ни одно из сложных условий, при которых, и только при которых, частицы могли бы находиться в состоянии равновесия.
Милликен начал искать новый путь решения проблемы.
В основу метода положено изучение движения заряженных капелек масла в однородном электрическом поле известной напряжённости Е.
Рис 15.2 Схема экспериментальной установки: Р – распылитель капель; К – конденсатор; ИП – источник питания; М – микроскоп; hn – источник излучения; П – поверхность стола.
Схема одной из установок Милликена приведена на рис 15.1. Милликен измерял электрический заряд, сосредоточенный на отдельных маленьких каплях сферической формы, которые формировались распылителем Р и приобретали электрический заряд электризацией трением о стенки распылителя. Через малое отверстие в верхней пластине плоского конденсатора К они попадали в пространство между пластинами. За движением капли наблюдали в микроскоп М.
С целью предохранения капелек от конвекционных потоков воздуха конденсатор заключён в защитный кожух, температура и давление в котором поддерживаются постоянными. При выполнении опытов необходимо соблюдать следующие требования:
а. капли должны быть микроскопических размеров, чтобы силы, действующие на каплю в разных направлениях (вверх и вниз) были сопоставимы по величине;
б. заряд капли, а также его изменения при облучении (использовании ионизатора) были равны достаточно малому числу элементарных зарядов. Это позволяет легче установить кратность заряда капли элементарному заряду;
в. плотность капли r должна быть больше плотности вязкой среды r0, в которой она движется (воздуха);
г. масса капли не должна меняться в течение всего опыта. Для этого масло, из которого состоит капля не должно испаряться (масло испаряется значительно медленнее воды).
Если пластины конденсатора не были заряжены (напряженность электрического поля Е = 0), то капля медленно падала, двигаясь от верхней пластины к нижней. Как только пластины конденсатора заряжались, в движении капли происходили изменения: в случае отрицательного заряда на капле и положительного на верхней пластине конденсатора падение капли замедлялось, и в некоторый момент времени она меняла направление движения на противоположное – начинала подниматься к верхней пластине.
Определение элементарного заряда посредством вычислительного эксперимента.
Зная скорость падения капли в отсутствие электростатического поля (заряд ее не играл роли) и скорость падения капли в заданном и известном электростатическом поле, Милликен мог вычислить заряд капли.
Из-за вязкого сопротивления капля почти сразу после начала движения (или изменения условий движения) приобретает постоянную (установившуюся) скорость и движется равномерно. В силу этого а = 0, и можно найти скорость движения капли. Обозначим модуль установившейся скорости в отсутствие электростатического поля – vg, тогда:
vg = (m – m0)·g/k (16.5).
Если замкнуть электрическую цепь конденсатора (рис 1), то он зарядится и в нем создастся электростатическое поле Е. При этом на заряд будет действовать дополнительная к перечисленным сила q·E, направленная вверх. Закон Ньютона в проекции на ось Х и с учетом, что а = 0, примет вид:
-(m – m0)·g + q·E – k·vE = 0 (16.6)
Откуда:
vE = (q·E – (m – m0)·g/k (16.7),
где vE – установившаяся скорость масляной капли в электростатическом поле конденсатора; vE > 0, если капля движется вверх, vE < 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что
q = (vE + |vg|)·k/E (16.8),
следует, что измеряя установившиеся скорости в отсутствие электростатического поля vg и при его наличии vE, можно определить заряд капли, если известен коэффициент k = 6·p·h·r.
Казалось бы, для нахождения k достаточно измерить радиус капли (вязкость воздуха известна из других экспериментов). Однако прямое ее измерение с помощью микроскопа невозможно. Радиус капли имеет порядок величины r = 10-4 – 10-6 см, что сравнимо по порядку величины с длиной световой волны. Поэтому микроскоп дает лишь дифракционное изображение капли, не позволяя измерить ее действительные размеры.
Сведения о радиусе капли можно получить из экспериментальных данных о ее движении в отсутствие электростатического поля. Зная vg и учитывая, что
m – m0 = (r – r0)·4·p·r3/3 (16.9),
где r – плотность масляной капли,
получим:
r = {(9·h·vg)/[2·g·(r – r0)]}1/2. (16.10).
В своих опытах Милликен изменял заряд капли, поднося кусок радия к конденсатору. При этом излучение радия ионизировало воздух в камере (рис 1), в результате чего капля могла захватить дополнительно положительный или отрицательный заряд. Если до этого капля была заряжена отрицательно, то понятно, что с большей вероятностью она присоединит к себе положительные ионы. С другой стороны, вследствие теплового движения не исключено присоединение и отрицательных ионов в результате столкновения с ними. В том и другом случаях изменится заряд капли и – скачкообразно – скорость ее движения vE'. Величина q' измененного заряда капли в соответствии с (16.10) еляется соотношением:
q' = (|vg | + vE')·k/E (16.11).
Из (1) и (3) определяется величина присоединенного каплей заряда:
Dq = |q – q'| = k·|vE – vE'|/E = k·(|DvE|/E) (16.12).
Сравнивая величины заряда одной и той же капли, можно было убедиться, что величина изменения заряда и сам заряд капли являются кратными одной и той же величине е0 – элементарному заряду.В своих многочисленных опытах Милликен получал различные значения зарядов q и q', но всегда они представляли кратное величины е0 = 1.7.10-19 Кл, то есть q = n·е0, где n – целое число. Отсюда Милликен заключил, что величина е0 представляет наименьшее возможное в природе количество электричества, то есть "порцию", или атом электричества. Наблюдение за движением одной и той же капли, т.е. за её перемещением вниз (в отсутствие электрического поля) и вверх (при наличии электрического поля) в каждом опыте Милликен повторял многократно, своевременно включая и выключая электрическое поле. Точность измерения заряда капли существенно зависит от точности измерения скорости её движения.
Установив на опыте дискретный характер изменения электрического заряда, Р. Милликен смог получить подтверждение существования электронов и определить величину заряда одного электрона (элементарный заряд) используя метод масляных капель.
Современное значение "атома" электричества е0 = 1.602.10-19 Кл. Эта величина и есть элементарный электрический заряд, носителями которого являются электрон е0 = – 1.602.10-19 Кл и протон е0 = +1.602.10-19 Кл. Работы Милликена внесли огромный вклад в физику и дали огромнейший толчок развитию научной мысли в будущем.
Контрольные вопросы:
1. В чем сущность метода Томсона?
2. Экспериментальная схема установки?
3. Трубка Томсона?
4. Вывод формулы отношение заряда к массе частицы?
5. В чем основная задача электронной и ионной оптики? И как их принято называть?
6. Когда был открыт «метод магнитной фокусировки»?
7. В чем его суть?
8. Как определяется удельный заряд электрона?
9. Изобразить схему установки по опыту Милликена?
10. Какие требования необходимо соблюдать при выполнении опыта?
11. Определение элементарного заряда посредством вычислительного эксперимента?
12. Вывод формулы заряда капли через скорость падения капли?
13. Современное значение "атома" электричества?
Дата добавления: 2014-12-23; просмотров: 687; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав |